利用X射线激光精确探测生物分子内部

与能源部斯坦福直线加速器中心（SLAC）国家加速器实验室（National Accelerator Laboratory）一样，X射线自由电子激光器的一个巨大优势是，它们允许研究人员在自然环境中确定生物分子的结构。如果你想研究一种潜在的新药在与人体相似的条件下如何与病毒相互作用，这一点很重要。通过用超短的X射线激光脉冲击中这些样品，科学家们可以在X射线的损伤有时间通过样品传播之前的瞬间收集数据。

但是，用这种被称为“破坏前衍射”的方法检验的样品是否真的没有损伤？在越来越精细的测量尺度上知道答案对于分析这些实验的结果和理解生物分子是如何工作的很重要。这种理解对于设计有效针对特定疾病的药物至关重要。

上图所示，为了研究样本损伤，研究人员用两对波长稍有不同、相距高达100飞秒的X射线激光脉冲击中结晶的生物分子。第一个脉冲通过样品，由于其能量较高，被箔式过滤器吸收。第二个从样品上散射下来，通过过滤器进入检测器。

由于斯坦福直线加速器中心的Linac相干光源（LCLS）开发了一种双色X射线激光技术，LCLS的一项实验正在测试这项技术，使其达到前所未有的极限。

由马克斯·普朗克医学研究所的伊尔梅·施利希廷和斯坦福直线加速器中心的塞巴斯蒂安·布泰特领导的一个研究小组用两对波长稍有不同的X射线激光脉冲击中了两种结晶的生物分子，它们之间的距离高达100飞秒，是十亿分之一秒的百万分之一。第一个脉冲通过样品并被箔过滤器吸收。第二个从样品上散射下来，通过滤光片进入探测器，形成可以分析的图案，以重现样品分子的结构，并测量由第一个脉冲引起的任何变化。

通过这种方法，研究小组发现，分子中含有比氧重的原子的部分吸收了X射线损伤的冲击波。构成所有蛋白质骨架的碳原子链也随着时间的推移而发生变化，但变化的程度要小得多。这些变化在整个分子中并不一致，在某些区域比在其他区域发生得更多，并且随着脉冲间隔时间的增加而增加。这些结果表明，为了进行可靠的测量，研究人员需要对样本的这些特定部分进行建模，而不是假设分子的所有部分都受到同样的损伤。

这项发表在《自然通讯Nature Communications》杂志上的研究，是更全面地了解像LCLS这样的X射线激光产生的非常短的X射线脉冲如何改变生物分子结构的开始。研究小组得出结论，“破坏前衍射”是确定生物分子结构的一种有效方法，只要科学家在解释结果时考虑用于研究生物分子的脉冲强度和持续时间。这些知识可应用于这些设施正在进行的广泛研究，从研究防治蚊媒疾病的新方法到研究致命病原体的毒性，以及更好地了解抗哮喘药物。

原文来源：https://phys.org/news/2020-04-accurately-x-ray-lasers-biological-molecules.html